Виды биосистем и уровни их исследования

Введение

В данной работе целью является изучение биосистемы на разных уровнях её организации. Понятие система имеет много вариантов определения. Все они в зависимости от подхода могут быть разделены на три группы. Первая группа определяет систему через понятия системного подхода — «элементы», «отношения», «связи», «целое», «целостность».
Во второй группе системы рассматриваются через понятия «вход», «выход», «переработка информации», «закон поведения», «управление». В третьей группе система определяется как некоторый класс математических моделей. Нам же подходит определение из первой группы: система – совокупность элементов, определённым образом связанных и взаимодействующих между собой для выполнения заданных целевых функций.
Можно считать системы – способом существования окружающего нас мира. Современный мир характеризуется глобальными процессами изменениями структуры и функционирования биологических систем различных уровней организации под влиянием человека. Эти процессы угрожают различному разнообразию мира, поэтому крайне актуальна задача его сохранения.
Тем не менее, для того чтобы сохранить биологическое разнообразие нужно понимать особенности структуры и закономерности функционирования биосистем. И поэтому необходимы эффективные методы оценки динамических и статических свойств биосистем различных уровней организации, что подтверждает необходимость развития процедур анализа и принятия решений. Под биологической (или живой) системой обычно понимается некоторая совокупность взаимодействующих элементов, которая образует целостный биологический объект.
В организме как в биосистеме взаимосвязь обусловлена согласованной работой всех органов, но сама биосистема — это не всегда отдельный организм. В качестве биосистем могут выступать различные природные сообщества, и даже все живые организмы Земли формируют единую огромную биосистему.

Основные свойства биосистем

Самовоспроизведение (репродукция). Это свойство является важнейшим среди всех остальных. Генетическая информация о самовоспроизведении закодирована в молекулах ДНК. На молекулярном уровне самовоспроизведение происходит на основе матричного синтеза ДНК, которая программирует синтез белков, определяющих специфику организмов. На других уровнях оно характеризуется чрезвычайным разнообразием форм и механизмов, вплоть до образования специализированных половых клеток (мужских и женских). Важнейшее значение самовоспроизведения заключается в том, что оно поддерживает существование видов, определяет специфику биологической формы движения материи.
Иерархическая организация. Организмы состоят из систем органов, которые состоят из отдельных органов, органы из тканей, ткани из клеток, сами же организмы собраны в популяции, популяции – в биоценозы, биоценозы – в экосистемы, образующие биосферу.
Рост и развитие. Развитие (качественные изменения) происходит за счет усложнения структуры и функций организма, а рост организма (количественные изменения) – за счет увеличения размеров и числа клеток,
Обмен веществ и энергии. В клетках эти процессы ведут к восстановлению разрушенных структур, росту и развитию организма.
Наследственность и изменчивость. Эти свойства гарантируют появление новых признаков, которые будут отличатся от исходных в следствие изменения ДНК, а также непрерывность жизни из-за передачи потомству генетической информации.
Изменчивость — способность организмов приобретать новые признаки и свойства в результате влияния внешней среды и/или изменений наследственного аппарата (молекул ДНК).
Наследственность — способность организма передавать свои признаки последующим поколениям.
Раздражимость. Данное свойство необходимо для взаимодействия с внешней средой.
Открытость. Системы являются открытыми, так как взаимодействуют с окружающей средой (получают энергию или же удаление продуктов жизнедеятельности).
Саморегуляция. Имеет приспособительное значение. Так при повышении температуры тела у млекопитающих расширяются кровеносные сосуды, отдавая в окружающую среду тепло в большем количестве. В результате температура животного нормализуется.
Уровни организации биосистем

Уровни организации представляют собой упорядоченность, которая является одним из основных свойств живого.
Можно выделить несколько ступеней организации живых систем, каждая из которых может быть разделена на несколько уровней:
1)биологическая микросистема, включающая молекулярный и клеточный уровни;
2) биологическая мезосистема, включающая тканевый, органный и организменный уровни;
3)биологическая макросистема, включающая популяционно-видовой, биоценотический и биосферный уровни.
Эти основные уровни организации живого связаны между собой иерархическими отношениями так, что биосистемы низкого уровня организации являются элементами системы более высокого уровня (организмы выступают как элементарные единицы популяций и видов, популяции различных видов – как элементарные единицы биоценозов, биоценозы – как элементы биостромы, которая охватывает всю планету). Иерархическая система основных форм организации живого является структурой живого в биосфере.
Молекулярно-генетический уровень. Элементарными единицами этого уровня являются гены. Основные структуры на этом уровне представлены молекулами ДНК, которые дифференцированы по длине на элементы генетического кода – триплеты азотистых оснований, образующих гены. Основу всех животных, растений и вирусов составляют 20 аминокислот, 4 азотистых основания, входящих в состав нуклеиновых кислот ДНК и РНК. В молекуле ДНК содержится наследственная информация, которая передается молекулами РНК. Аминокислоты, соединенные в длинные цепи пептидными связями, образуют белки. Разнообразие белков определяется не только входящими в их состав различными аминокислотами, но и их последовательностью в полипептидной цепи. Назначение белков – служить катализаторами для протекающих в организме биохимических реакций, а также выполнять функции структурных клеточных элементов.
Клетки являются основой организации материи, так как имеют способность к размножению, жизни и росту. На клеточном уровне происходят процессы, связанные с кодированием и передачей наследственной информации, обменом веществ и энергией, изменчивостью и генетической преемственностью, устойчивостью молекулярных структур.
Каждый уровень биосистемы выделен отдельно, так как любой из уровней характеризуется свойствами, которые отсутствуют на нижележащих уровнях. В зависимости от того, какие биосистемы и с какой точки зрения изучаются, надо выделять больше или меньше уровней, на каждом из которых возникают свои эмергентные свойства. Целесообразно выделять такое число уровней, чтобы каждому из них были присущи свойства, изучение которых на нижележащем и вышележащем уровнях невозможно.

Таблица 1. Примеры биосистем различных уровней и их эмергентные свойства.
Уровень организации Пример Эмергентные свойства
Молекулярный Молекула, ядро Обладает характерной конформацией, способна к выполнению определенных функций в клетке.
Клеточный Клетка Обладает основными свойствами живых систем: способна к обмену веществ, размножению и т.д. Деление, рост, матричный синтез.
Органо – тканевый Органы и ткани Управляет клеточной жизнедеятельностью (делением, обменом веществ, функциональной активностью). Способна к обработке информации и выполнению определенных кибернетических функций.
Организменный Особь Является единицей естественного отбора (как целое гибнет или выживает и размножается). Обладает индивидуальностью, возникающей в результате онтогенеза. Законченная локализованная система.
Популяционный Популяция раздельнополых особей Обладает потенциальным бессмертием и способностью к эволюции. Характеризуется определенной половозрастной, пространственной, генетической, иерархической структурой.
Видовой Вид Обладает межвидовым разграничением.
Биогеоценотический Биогеоценоз Способен к развитию (сукцессии), осуществляет частично замкнутый круговорот веществ. Среда для локального сосуществования.
Биосферный Биосфера Осуществляет замкнутые биогеохимические циклы (с учетом обмена веществом с космосом и земными недрами). Регулирует некоторые свойства планеты (гипотеза Геи). Способна к биосферной эволюции. Глобальная взаимосвязь.

Каждый из уровней включает несколько их примеров, охарактеризованных по семи параметрам:
Сущность — название и краткая характеристика рассматриваемых объектов.
Разнообразие — формы, в которых существуют биосистемы данного типа.
Подсистемы — части, из которых состоят рассматриваемые объекты; системы нижележащего уровня.
Надсистемы — системы, в состав которых входят рассматриваемые объекты; системы более высокого уровня.
Функции — процессы, которые происходят в рассматриваемых объектах; функции этих объектов в системах более высокого уровня.
Новые свойства — свойства, которые отсутствуют у систем нижележащего уровня, взятых по отдельности, и возникают у рассматриваемых систем (т.е. их эмергентные свойства).
Развитие — особенности предыстории и возможное будущее данных объектов.

Взаимосвязь всех биосистем и их уровней

В числе биологических компонентов, слагающих экосистему, четко выделяют три группы организмов׃ продуценты, консументы и редуценты.
Продуценты – организмы, создающие органическое вещество из неорганических соединений (автотрофы – растения, создающие органическое вещество путем фотосинтеза, хемотрофы – некоторые организмы, создающие органику за счет химических реакций).
Консументы – организмы, питающиеся органическим веществом (все животные, часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения)

. Различают консументы первого порядка – растительноядные животные, второго – хищники, третьего – многие паразиты и т.д.
Редуценты – организмы, в ходе жизнедеятельности превращающие органическое вещество в неорганическое (большинство микроорганизмов, грибы).
Соотношение биомассы продуцентов, консументов и редуцентов определяет каркасную структуру экосистемы. Обычно это соотношение графически изображают как пирамиду (пирамиду масс, реже чисел, подразумевается число особей). Как правило, основная доля биомассы приходится на продуцентов, число консументов первого порядка существенно меньше, еще меньше совокупность консументов второго порядка и т.д. При переходе от одной ступени пирамиды к другой теряется от 7 до 15% энергии. Поэтому число ступеней пирамиды ограничено, обычно 5 – 7.
Важнейший компонент экосистемы – организмы – в той или иной мере определяют ее облик. При этом одни из них формируют его в большей степени, чем другие. Виды, играющие основную роль в создании биосреды в экосистеме, называются эдификаторами. Обычно это растения. Однако и животные могут играть эту роль, например, сойка, распространяющая желуди, сурки, создающие (меняющие) условия произрастания растений в степи, почвенные или глубоководные животные (в глубинах океана растения отсутствуют). Организмы, менее влияющие на создание среды и облика экосистемы, называются ассектаторами. Условия их существования определяются эдификаторами.
К числу компонентов экосистемы помимо организмов относится ряд других материальных составляющих׃ энергия (включая все лучевые, волновые и квантовые источники), газовый состав (атмосфера), вода (жидкая составляющая), почвосубстрат. Иногда к этому перечню добавляют информацию. Экологические компоненты обеспечивают круговорот веществ и закономерное прохождение потока энергии в биосфере (глобальной экосистеме). Энергия Солнца, попадая на растения, создает предпосылки для фотосинтеза и продуцирования органического вещества с привлечением газов атмосферы и минеральных веществ из субстрата. Как было показано выше, органическое вещество растений потребляется животными и паразитическими растениями и, как растительное, так и животное, вновь разлагается после смерти организмов редуцентами на простые соединения (соли, газы), возвращающиеся таким образом в атмосферу и почвогрунты.
Существенным свойством экосистемы является время ее существования. Вообще, под системным временем (характерным собственным временем системы) подразумевают время, рассматриваемое в масштабе периода существования данной системы или происходящих в ней процессов. Например, время жизни особи, смены поколений, продолжительности существования вида организмов планеты. Для каждой из перечисленных выше систем характерны своя пространственная протяженность (объем, площадь) и масса, а также (минимальное) количество подсистем, позволяющее системе существовать и функционировать. Можно отметить, что время жизни биосферы больше, чем время существования умеренных лесов северного полушария планеты, а время существования конкретного участка леса или поляны меньше, чем лесной зоны в целом.
В ходе развития нашей планеты менялся качественно и количественно состав компонентов. Естественно, что изменялись и сами экосистемы. Способность экосистем адаптироваться к изменениям весьма важна. Экосистема представляет собой совокупность разных компонентов. В то же время ее особенности определяются не только суммой их свойств. Универсальное свойство экосистем – их эмерджентность (от англ. – возникновение, появление нового). Так, лес – не одно дерево, а множество, которое образует новое свойство. Понятно, что одно дерево или даже десяток деревьев еще не лес.
Различают циклическую (флуктуационную) и поступательную динамику экосистем (в последнем случае можно говорить о развитии). К числу циклических изменений относят различные (по времени) типы динамики. Самый простой из них – суточный (связан с изменением освещенности, фотосинтеза, активности дневных, сумеречных или ночных животных). Сезонная динамика определяется положением планеты по отношению к солнцу, что вызывает чередование весны, лета, осени и зимы. Солнечная активность определяет многолетнюю динамику экосистем (2-, 4-, 11-летние циклы и т.п.). Более сложными космическими и планетарными процессами определяются длительные циклы, протяженность которых охватывает периоды от нескольких десятилетий до миллионов лет. Для циклических изменений экосистем характерны их более или менее правильная периодичность.
Поступательная динамика экосистем обычно связана с внедрением в их состав новых видов либо сменой одних видов другими.
В конечном счете и тот и другой процесс приводят к смене биоценозов или экосистем в целом. Такие смены получили название сукцессий (от лат. сукцессио – преемственность, наследование). В случае, если сукцессия обуславливается внешними по отношению к экосистемам факторами, говорят об экзогенных сукцессиях, когда изменение возникает под действием внутренних причин – об эндогенных.
Экзогенные сукцессии могут быть вызваны изменением климата, такие процессы могут идти сто или даже тысячи лет, поэтому их называют вековыми.
В ходе эволюции жизни на Земле биологические виды преобразуются в новые формы. В таком случае можно говорить об эндогенных сукцессиях.
Если изменения вызваны деятельностью человека, говорят об антропогенных сукцессиях. Так, на месте вырубки или пожарища, уничтоживших лес (следует иметь в виду, что 98% лесных пожаров в нашей стране вызываются человеком), последовательно возникают территории, поросшие травянистыми растениями, затем появляются кустарники, кустарники в конце концов скрываются под пологом лиственных деревьев. Под пологом лиственного леса подрастают хвойные породы деревьев, которые, проникая в верхний ярус, образуют смешанный лес. Лиственные деревья короткоживущи по сравнению с хвойными, они постепенно выпадают из верхнего яруса, в результате чего в конце концов на месте гари и вырубки формируется хвойный лес.
В целом независимо от того, идет ли естественная экзо- или эндогенная сукцессия или антропогенная, общими закономерностями будут׃
– последовательное заселение живыми организмами;
– увеличение видового разнообразия живых организмов;
– постепенное обогащение почвы органическими веществами;
– возрастание плодородия почвы;
– усиление связей между различными видами или трофическими группами организмов;
– изменение числа экологических ниш;
– постепенное формирование все более сложных экосистем и биоценозов.
Более мелкие по размеру виды, особенно растительные, как правило, сменяются более крупными, интенсифицируются процессы обмена, круговорота веществ и т.д. Такие сукцессионные ряды заканчиваются слабо меняющимися экосистемами, которые называются климаксными (от греческого klimaks – лестница), коренными или узловыми. В определенных климатических условиях последовательность смен, видовой состав участвующих в них видов имеют свою специфику. При этом каждой стадии, включая климаксную, свойствен свой набор видов, который, во-первых, типичен для данного региона, во-вторых, состоит из наиболее приспособленных к конкретной стадии организмов.
Следует отметить, что развитие экосистемы продолжается и после достижения ею климаксной стадии.
Может меняться состав и численность отдельных видов, в то же время общим для климаксов является сходство видов-эдификаторов, которые в наибольшей мере определяют условия существования в экосистеме всех организмов. Поскольку в одинаковых климатических условиях набор эдификаторов предопределен, каждый ряд завершается однотипной экосистемой (моноклимаксом).
Наиболее типичные ряды в полосе южной тайги России׃
– темнохвойных лесов;
– светлохвойных лесов;
– ивово-ольшатниковых лесов;
– луговых экосистем и т.п. (3.1, 3.2).
Таблицы иллюстрируют типичные смены в каждом ряду (на примере Камского Приуралья и Верхнеленья). Таким образом, способность экосистем к сукцессионному развитию является их функциональным свойством, определяющим возможность их саморегуляции (самовосстановления). В определенной мере с этой способностью связано и другое, не менее фундаментальное, свойство экосистем – их устойчивость (стабильность).
Представление об устойчивости экосистем разрабатывалось в рамках ряда фундаментальных наук. Так, математики полагают, что математическая устойчивость выражается в том, что изучаемый процесс, проявляющийся в преобразовании некоторой величины (функции), начавшись из фиксированной области, не должен привести к выходу этой величины за пределы заранее определенной области, в общем случае не совпадающей с начальной.
Физически устойчивым является такое состояние системы, к которому она самопроизвольно возвращается, будучи выведена из него внешними силами. С физической точки зрения восстанавливается состояние наиболее вероятное – с наименьшим уровнем свободной энергии. Наглядной моделью физически устойчивой системы служит металлический шарик, скатывающийся к самому низкому участку ямки, сколько бы мы ни поднимали его на “откосы”.
Наряду с устойчивостью, в экологии широко применяется термин “гомеостазис” или “гомеостаз”, возможно, заимствованный из физиологии